張曉云,湯智慧,孫志華,宇 波

(北京航空材料研究院,北京100095)

鈦合金的電偶腐蝕與防護

張曉云,湯智慧,孫志華,宇 波

(北京航空材料研究院,北京100095)

總結了不同牌號的鈦合金與鋁合金、鋼、復合材料接觸時產生電偶腐蝕的敏感性。結果表明:鈦合金與鋁合金和結構鋼接觸時會產生不同程度的電偶腐蝕,必須進行防護處理方可使用;鈦合金與不銹鋼接觸在常溫下可直接接觸使用,但在高溫下,其電偶腐蝕行為可能發(fā)生變;鈦合金與炭纖維復合材料可直接接觸使用。表面處理作為一種補充防護措施,可在一定程度上降低鈦合金與鋁合金、結構鋼之間的電偶腐蝕的敏感性,但不能完全阻止,表面處理后進行噴涂防護涂層、密封等防護措施可進一步降低電偶腐蝕敏感性。

鈦合金;電偶腐蝕

由于鈦合金的比重小、比強度高、耐熱性和抗腐蝕性好,以及資源豐富,已成為近代飛機和宇宙飛行器中重要的結構材料之一,得到了越來越廣泛的應用[1]。美國在20世紀80年代后設計的各種先進戰(zhàn)斗機中,鈦合金用量已穩(wěn)定在20%以上,如第三代戰(zhàn)斗機F215鈦合金用量占27%,而第四代戰(zhàn)斗機F2 22鈦合金用量占41%。因此,鈦合金在飛機上的用量及其性能水平已成為飛機先進性的重要標志之一。

鈦合金本身具有優(yōu)異的抗腐蝕性能,一般不需要采用抗腐蝕表面處理。但在使用過程中,由于鈦合金的電位較正,當與其他金屬連接組成組合件時,鈦合金會引起與之接觸的其他金屬材料的電偶腐蝕[2]。近年來隨著鈦合金應用品種及應用范圍的不斷擴大,以及新型表面處理技術的發(fā)展和應用,對鈦合金與其他材料之間的電偶腐蝕性能的研究對鈦合金的應用尤為重要。本課題組自“九五”以來一直跟蹤鈦合金的發(fā)展,關注鈦合金電偶腐蝕行為與防護的研究[3-6],本工作結合近年來的研究,總結了本課題組以及相關研究結果[7-10],并探討表面處理與防護措施對鈦合金電偶腐蝕行為的影響。

1 實驗方法

按HB 5374—87“不同金屬電偶電流測定方法”[11]進行接觸腐蝕試驗,試樣尺寸為100mm× 20mm×(1～3)mm。測定不同金屬組成的電偶對在3.5%NaCl溶液中的電偶電流和電極電位,實驗連續(xù)進行20h,電偶電流密度為20h的平均值。

電偶對在電解液中產生電偶腐蝕的敏感性主要根據電偶電流密度的大小來決定,按平均電偶電流密度的大小將電偶腐蝕敏感性分為5級,見表1。

表1 電偶電流密度與電偶腐蝕等級評定Table 1 Current density and rank of galvanic corrosion

2 實驗結果和分析

2.1 鈦合金與其他材料的電偶腐蝕

表2總結了不同牌號的鈦合金與鋁合金、結構鋼、不銹鋼、炭纖維復合材料形成電偶對時產生電偶腐蝕的電偶電流密度和電偶腐蝕敏感性等級。

表2 鈦合金與其他材料的電偶電流密度與電偶腐蝕等級Table 2 Current density and rank of galvanic corrosion _________between titanium alloy and other materials

鈦合金與鋁合金接觸形成電偶對時,電偶電流密度大于3.0μA·cm-2,電偶腐蝕的敏感性等級為D～E級,與鈦合金接觸的鋁合金會產生嚴重的腐蝕,必須對鋁合金防護后方可使用。一般情況下鈦合金、鋁合金表面都存在一層氧化膜,但當鈦合金與鋁合金接接觸形成電偶對后,鈦合金由于電位較正而作為陰極受到保護,而鋁合金由于電位較負而作為陽極受到腐蝕。由于鋁合金氧化膜可能在不同區(qū)域存在一定差異,一些地方比較容易被破壞,出現點蝕,進而引起嚴重的腐蝕。

鈦合金與結構鋼接觸形成電偶對時,根據材料的不同,電偶電流密度在1.0～15.0μA·cm-2之間,電偶腐蝕的敏感性等級為B～E級,跨越于有條件接觸使用和必須防護后使用。說明在一般情況下,與鈦合金接觸的結構鋼會產生不同程度的腐蝕。結構鋼的腐蝕的形態(tài)因鋼種差異而不同,30CrM nSiA, 30CrM nSiNi2A一般為較大面積的均勻腐蝕,而40CrNi2Si2MoVA,A 100表現為局部腐蝕或點蝕。因此,為有效防止因鈦合金與結構鋼接觸形成電偶腐蝕,鈦合金與結構鋼接觸形成電偶對必須對結構鋼進行防護后方可使用。

鈦合金與不銹鋼接觸形成電偶對時,電偶電流密度小于0.3μA·cm-2,電偶腐蝕的敏感性等級為A級,在常溫下可直接接觸使用。但有研究表明[12,13],在高溫下,由于高溫氧化作用,材料表面狀態(tài)發(fā)生變化,電化學腐蝕行為改變,其電偶腐蝕行為發(fā)生變化,此時僅依據HB53—74測定的電偶電流密度判定的電偶腐蝕敏感性等級是不準確的。

鈦合金與炭纖維復合材料接觸形成電偶對時,電偶電流密度遠遠小于0.3μA·cm-2,電偶腐蝕的敏感性等級為A級,可直接接觸使用。

2.2 表面處理對鈦合金電偶腐蝕的影響

表3總結了采取不同表面處理后,鈦合金與鋁合金、結構鋼、不銹鋼成電偶對時產生電偶腐蝕的電偶電流密度和電偶腐蝕敏感性等級。

對鋁合金進行陽極氧化處理后,從電偶電流密度的大小來判定,可在一定程度上降低其電偶腐蝕的敏感性,但效果有限,電偶腐蝕的敏感性為C～D級,必須進行其他有效防護方可接觸使用。在對鋁合金進行陽極氧化處理的同時,對鈦合金也進行陽極氧化處理后,其電偶腐蝕的敏感性大大降低,電偶腐蝕的敏感性為A～B級,介于有條件接觸使用和可以直接接觸使用之間。

表3 表面處理后鈦合金與其他材料的電偶電流密度與電偶腐蝕等級____Table 3 Current density and rank of galvanic corrosion between titanium alloy and other materials after surface treatment

對結構鋼進行不同的表面處理后,從電偶電流密度的大小來判定,可在一定程度上降低其電偶腐蝕的敏感性,電偶腐蝕的敏感性為C～D級,防護效果與鍍層性質以及鍍層和鈦合金的電位差有關,對于陽極性鍍層,如鎘鍍層、鋅鍍層、鎘2鈦鍍層,雖然與鈦合金的電位差較大,但陽極性鍍層以犧牲性陽極的方式保護了基體金屬;對于陽極性鍍層,如鉻鍍層、鎳鍍層,由于鍍層與鈦合金之間電位差的減小,電偶腐蝕的驅動力降低,因此電偶腐蝕的敏感性隨之降低。在對結構鋼進行表面處理的同時,對鈦合金進行陽極氧化處理,可是電偶腐蝕的敏感性進一步降低至A～B級。

從鈦合金陽極氧化前后與鋁合金和結構鋼的電偶腐蝕的敏感性的變化來看,對鈦合金陽極氧化有利于防止鈦合金鋁合金和結構鋼之間的電偶腐蝕,這是因為鈦合金陽極氧化膜是穩(wěn)定性好、電阻很高的致密氧化膜,可以有效地穩(wěn)定和降低電偶電流[6,8]。

不銹鋼與鈦合金之間的電偶腐蝕的敏感性本身就很小,因此,即使對不銹鋼進行鈍化處理,使其表面形成更為完整致密的鈍化膜,與鈦合金之間的電偶腐蝕的敏感性等級并未變化。

2.3 涂層及密封技術對鈦合金電偶腐蝕行為的影響

表4總結了采取涂層及密封技術處理后,鈦合金與鋁合金、結構鋼、不銹鋼成電偶對時產生電偶腐蝕的電偶電流密度和電偶腐蝕敏感性等級。

對鋁合金、結構鋼采取表面處理后,并施加防護涂層后,可以將其與鈦合金的電偶腐蝕的敏感性降低至A～B級,涂層的完整性對防護效果有極大的影響,如果漆層存在可滲透電解液的微孔或局部損傷,有可能形成大陰極小陽極的不利情況,使局部的電偶腐蝕加劇。所以,從防止電偶腐蝕的角度來說,嚴格控制防護底漆的施工質量是非常重要的。為了杜絕電偶腐蝕的產生,更合理的做法是在加強陽極性金屬保護的同時,對陰極性金屬材料也涂漆防護,在實際使用中應根據具體情況采取相應防護措施。功能性涂層,如減磨涂層無助于防止電偶腐蝕。

表4 采用涂層及密封處理后鈦合金與其他材料的電偶電流密度與電偶腐蝕等級Table 4 Current density and rank of galvanic corrosion between titanium alloy and other materials p rotected by sp raying paintso r sealants

對不能噴涂防護涂層的部位,施加密封劑也是比較有效的措施,但密封劑的選擇以及施工質量也是影響防護效果的關鍵因素,選擇性能優(yōu)良的密封劑并保證施工質量,可以將鈦合金與鋁合金和結構鋼的電偶腐蝕的敏感性降低至A級。

3 電偶腐蝕的防護及其控制方法

不同金屬接觸產生電偶腐蝕必須具備三個基本條件:一定的電位差、存在腐蝕電解液、電連接。三個條件缺一不可,因此只要設法使其中一個條件不存在,就能避免形成電偶,也就不會發(fā)生加速腐蝕。防止電偶腐蝕常用的方法就是基于這個原則,如用金屬或鍍層調整過渡使不同金屬之間的電位差減小;采用陽極氧化、磷化等表面處理的方法覆蓋層增大接觸電阻,降低電偶效應,如涂漆、密封或使用其他惰性材料使金屬間絕緣。在實際應用中這幾種防護措施必須根據具體情況綜合考慮,一般來說鍍層和化學覆蓋層常作為防止電偶腐蝕的一種輔助措施,最好配合漆層使用(除非不允許涂漆)。在不能涂漆的部位應根據具體使用情況更換鍍層或對鈦合金進行陽極氧化處理。在選擇防護方法時,應根據材料應用的具體結構部位,綜合考慮防護效果和其他材料的應用情況。

3.1 結構設計與選材

(1)結構設計中盡可能避免不同材料相互接觸,不可避免時應選擇電偶序中電位相近的材料。

(2)由不同金屬組成的構件,避免大陰極(電位較正的金屬)小陽極的(電位較負的)金屬組合,盡可能增大陽極面積,減少陰極面積。

(3)設計的結構必須便于維修和更換,考慮排水、排濕的問題。絕緣材料、密封材料應不吸水、不含腐蝕性成分,宜選用含緩蝕劑的密封材料。

3.2 必要的防護措施

當兩種材料不允許直接接觸,而結構上又必須選用時,可根據使用條件、設計要求、導電要求、維護方便、費用低的原則,采用下述一種或幾種防護措施:

(1)選用與兩者都允許接觸的金屬或鍍層作為過渡層;

(2)活動部位涂潤滑油,不活動部位涂漆;

(3)用惰性材料絕緣;

(4)密封;

(5)不允許接觸而又必須電連接的部位,不常拆卸的,連接后要密封;經常拆卸的,連接后可用不干性膩子密封。

3.3 適當的防護工藝

3.3.1 鈦合金與鋁合金接觸的防護

當鈦合金與鋁合金接觸時,對鈦合金按HB/Z 347—2002進行陽極氧化,同時對鋁合金按HB/Z 233—93進行硫酸陽極化,并噴涂底漆。

3.3.2 鈦合金與鋼接觸的防護

(1)一般氣候條件下使用時,鈦合金零件不需附加表面涂層。允許鈦合金與不銹鋼、鎳基合金接觸;不允許鈦合金零件與鍍鎘零件接觸。

(2)當鈦合金與鋼接觸時,對鈦合金按HB/Z 347—2002進行陽極氧化,同時對結構鋼按HB/Z 5068—92進行鍍鎘,高強度鋼按HB/Z 107—86進行鍍鎘2鈦,并噴涂底漆。

3.3.3 裝配過程中的防護

(1)在不允許接觸的情況下,安裝鉚釘時應按圖紙說明涂底漆或密封膠;

(2)對于緊固螺栓連接的鈦2鋁、鈦2鋼連接件,應采用濕法裝配。在螺栓孔及兩金屬搭接面涂不干性密封膠,然后插入緊固螺栓;

(3)對于不可分開的緊固件,安裝時應按圖紙標示涂底漆或密封膠,并在螺頭及突出的螺紋部位、墊圈和螺母等涂上底漆或密封膠;

(4)對于不能涂底漆或密封膠的部位,應采用其他方法進行絕緣。

4 結論

(1)鈦合金與鋁合金和結構鋼接觸時會產生不同程度的電偶腐蝕,必須進行防護處理方可使用;鈦合金與不銹鋼接觸在常溫下可直接接觸使用,但在高溫下,其電偶腐蝕行為可能發(fā)生變化;鈦合金與炭纖維復合材料可直接接觸使用。

(2)表面處理作為一種補充防護措施,可在一定程度上降低鈦合金與鋁合金、結構鋼之間的電偶腐蝕的敏感性,但不能完全阻止;表面處理后進行噴涂防護涂層、密封等防護措施可進一步降低電偶腐蝕敏感性。

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Galvanic Co rrosion and Pro tection Between Titanium A lloy and Other Materials

ZHANG Xiao2yun,TANG Zhi2hui,SUN Zhi2hua,YU Bo
(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

The suscep tibility of galvanic corrosion on titanium alloy coup led w ith other materials were summarized.The result show ed that the galvanic co rrosion betw een titanium alloy and aluminum al2 loys or structural steel was serious,it is necessary to p rotect aluminum alloys and structural steel w hen it is coupled w ith titanium alloy.There was no galvanic corrosion between titanium alloy and stainless steel in room temperature,but it is possible different result in high temperature.There was no galvanic co rrosion betw een titanium alloy and composites.The current density of coup les could be decreased by surface treatment to aluminum alloys and structural steels,and decreased greatly by sp raying paint and sealants after surface treatment.

titanium alloy;galvanic corrosion

TG113.23+1

A

100124381(2010)1120074205

2009206229;

2010208212

張曉云(1967—),女,研究員,主要研究方向為材料的腐蝕與防護,聯(lián)系地址:北京市81信箱5分箱(100095),E2mail:xiaoyun.zhang @biam.ac.cn